工業自動化儀器儀表控制系統設計研究

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摘要：由于傳統控制系統軟件建立的控制指令不全面，導致指令傳輸較慢，設計新的工業自動化儀器儀表控制系統。在控制系統的硬件設計上，選擇利用GPIB總線，通過星型連接方法連接儀器儀表與計算機。在軟件設計上，利用VISA提供的函數庫建立控制指令，形成計算機與儀器儀表的雙向信息交流，再通過LABVIEW的編程方式，讀取儀器的波形，實現對儀器儀表的控制。為驗證新控制系統的可靠性，選擇了十個儀器儀表，利用兩種傳統控制系統作為對照組進行實驗。實驗結果表明，實驗組的平均反應時間為0.266s，對照組的平均反應時間為0.614s和0.82s。由此得出，新控制系統在控制儀器儀表時的反應時間更短。

關鍵詞：工業自動化；儀器儀表；控制；系統設計；信息傳輸；連接

工業自動化儀器儀表控制系統對于實現智能化控制，及時調整儀器儀表的工作狀態有著不可或缺的作用。由于目前工業自動化儀器儀表控制系統存在控制指令不夠完整，對儀器儀表數據的變化不夠敏感等問題，無法形成精準的儀器儀表控制系統，對儀器儀表無法進行完全快速的控制，這就導致了工業自動化儀器儀表實現智能化控制的步伐停滯不前，很不利于儀器儀表的工作，無法實現實時調整狀態和接收指令[1]。因此，建立一個能夠精準控制工業自動化儀器儀表的控制系統來實現各零件之間以及儀器儀表與計算機之間的數據與指令傳輸變得非常重要。本文通過設計控制系統的硬件及軟件，生成一個新的控制系統，在理論上可以對儀器儀表進行精準高效的控制[2~3]。通過實驗，解決了傳統控制系統傳輸數據速度較慢的問題，為未來工業自動化儀器儀表控制系統的開發提供了新思路。

1我國行業市場發展情況

當前我國工業市場產業的發展，主要與成本收益比存在一定的不穩定性有關。我國雖然在工業產品的發展上遇到了一定的困難，但仍在作出獨立決定的過程中。在精密校準、儀器刻度盤、儀器內部保養等方面還有很多機會。目前，我國與國際儀器行業的發展差距正在逐漸縮小，儀表生產與數字化相結合得益于信息化，全球儀器儀表市場將繼續增長，電子測量儀器市場的前景仍然樂觀。此外，我國將在儀器出廠前進行三步檢查。第一步是確定儀表測量的內部精度，第二步是確定表盤的拋光程度，第三步是判斷外部計數器結構是否完整。另外，在我國的儀器發展階段，對儀器的制造有相應的標準和要求，測量的精度準確度等都需要一定的進步空間，而且，現在中國市場的需求趨近于多元化，國家不斷增加基礎建設的投入力度，在旺盛市場需求的帶動下，對儀器需求不斷增加，同時測試儀器市場也正在快速發展。

2工業自動化儀器儀表控制系統硬件設計

設計工業自動化儀器儀表控制系統首先要進行硬件的設計，控制系統需要將儀器儀表與計算機進行連接，通過二者之間的連接來實現計算機控制工業自動化儀器儀表的目的[4]。GPIB總線的傳輸能力強，可以實現儀器儀表之間或者是儀器儀表與計算機之間的雙向信息傳輸，并且傳輸的速度非常快，因此，采用GPIB總線用于連接儀器儀表及計算機在理論上可以實現更快的控制[5]。GPIB總線的連接方法分為星型和線型兩種，由于線型連接方法對于各個機器之間的距離有嚴苛的要求，因此，本文采用星型連接方法連接儀器儀表與計算機。以計算機為中心，通過星型連接方式利用GPIB總線接入接口，控制系統的電路圖見圖1。如圖1所示：中間的接口為計算機接口，四周的四個接口為儀器儀表接口，呈星型分布，且各個儀器儀表之間也可以進行數據傳輸，這樣一來，該控制系統就實現儀器儀表之間和儀器儀表與計算機之間的雙向高速信息傳輸。

3工業自動化儀器儀表控制系統軟件設計

3.1建立控制指令

利用VISA所提供的函數來建立計算機與儀器儀表之間的控制指令，VISA可以不考慮接口的方式與接口的儀器儀表種類，這種通用的形式可以增加控制系統的使用率。利用viOpenDefaultRM函數對VISA系統進行初始化，查看VISA中與儀表儀器進行通訊的數據類型對象是否可以使用，開啟VISA函數庫。用viOpen建立計算機和儀器儀表之間的對話聯系，它可以將計算機發出的行為指令轉換為數據形式傳輸給儀器儀表，用來對儀器儀表的工作作出指示[6]。它會給出儀器儀表的線路樣式、地址等信息，使得VISA可以對該儀器儀表進行定位，其次它會對儀器儀表進行訪問，一般情況下默認完全訪問，這樣可以更好的實現計算機與儀器儀表之間的雙向信息傳遞。它存在一個固定的時間設置，超過該時間會直接認定數據發送失敗。viPrintf用于發送儀器控制指令，通過設置初始參數的方式來觀察儀器儀表的動作或者狀態，根據儀器儀表需要調整的部分向其發送控制指令。viScanf則用于接收儀器儀表所傳回的數據，和viPrintf相對應，并將傳回的數據進行儲存。viClose是用于結束計算機與儀器儀表之間對話的函數，在不需要調整控制儀器儀表后使用該函數進行收尾[7]。通過VISA函數庫中的這些函數，將控制儀器儀表的數據及指令通過計算機進行傳輸，之后再回收儀器儀表傳回的數據，形成計算機與儀器儀表的雙向信息交流，建立了完整的控制指令，見圖2。

3.2基于LABVIEW控制儀器儀表

LABVIEW的編程方式簡單，設備驅動程序種類繁多，分析和表達功能較強，可以快速且簡單地構建各種各樣的儀器系統。LABVIEW目前的開發可以滿足復雜的系統設計要求，它使用圖形化來編輯語言[8]。數據采集、串行儀器控制、數據分析都需要利用LABVIEW編程來完成。其仿真和調試工具可以對儀器儀表的動態采取連續跟蹤的方式，連續地觀察部件中的數據及其變化情況，見圖3。利用LABVIEW程序可以較為容易的改變相應的設置及功能，更好地對儀器儀表進行控制。在打開LABVIEW的交互式環境之后，創建查詢、解析、讀寫等命令，這些命令可以與儀器進行數據交換。在利用VISA設置了儀器的初始數據之后，對返回的數據進行解析，生成動態鏈接庫，得到的儀器波形根據控制指令，就能實現對儀器儀表的控制[9]，見圖4和圖5。

4實驗

為驗證本文設計的工業自動化儀器儀表控制系統實際應用效果，選擇了本文設計的控制系統作為實驗組，兩種傳統控制系統作為對照1組和對照2組進行實驗，通過控制系統在控制工業自動化儀器儀表時的反應時間來對三種控制系統進行對比研究。為了防止出現偶然性或其他影響因素，選擇了十個不同的儀器儀表進行實驗，表1為實驗數據。根據表1的實驗數據可以得出：實驗組在10次實驗中的反應時間皆小于兩組對照組，實驗組的平均反應時間為0.266s，對照1組的平均反應時間為0.614s，對照2組的平均反應時間為0.82s。實驗組的平均反應時間比對照1組快0.348s，比對照2組快0.554s。由此可見，本文設計的控制系統在反應時間上優于傳統控制系統，因此，本文的控制系統更好。

5自動化儀表的發展方向

自動化儀表的主要發展方向有三點：第一，要進行自動化，首先要清楚明白整個儀表產品的制作需求，比如說要進行測量的是電流電壓或者是其他的壓力、壓強、溫度等，知道測量什么再進行產品智能化標準制定，盡量減輕整個儀表主機的工作壓力，可以植入PID模塊，與有關的現場儀表在一起，實現自主調節，大大提高了整個儀表產品工作的效率，而且減少了工作的誤差。第二，自動化只是一個實現目標，在這個目標進行之前要使精度符合儀表標準，不僅是工程要求，對于安全性、穩定性都有一定實際意義。第三，就是網絡化，在工作過程中可以將儀表測量和工程的各種數據進行公示，再進行數據的明確對比，如果出現問題可以通過網絡的公式化計算第一時間得以發現，然后進行針對性的解決措施。

6結束語

本文針對工業自動化儀器儀表進行了一個控制系統設計，通過實驗發現本文設計的控制系統比傳統的控制系統反應時間更短，有效地節省了工業自動化儀器儀表的控制時間。本文由于篇幅的原因，在實驗過程中僅測試本文設計的系統和傳統系統的反應時間，對于其他方面例如控制的精準度、對數據的敏感程度還未進行實驗，因此還存在一些不足。在未來工業自動化儀器儀表的控制上，可以參考本文設計的系統以實現快速控制的目的。

作者:唐忠垚 朱大明 單位:重慶川儀自動化股份有限公司 中國石油四川石化有限責任公司